選擇電阻以最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差

運(yùn)算放大器通常用于在工業(yè)流程控制、科學(xué)儀器和醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用中產(chǎn)生高性能電流源?！赌M對(duì)話(huà)》1967年第1卷第1期上發(fā)表的" 單放大器電流源"介紹了幾種電流源電路，它們可以提供通過(guò)浮動(dòng)負(fù)載或接地負(fù)載的恒流。在壓力變送器和氣體探測(cè)器等工業(yè)應(yīng)用中，這些電路廣泛應(yīng)用于提供4-mA至20-mA或0-mA至20-mA的電流。

圖1所示的改進(jìn)型Howland電流源非常受歡迎，因?yàn)樗梢则?qū)動(dòng)接地負(fù)載。允許相對(duì)較高電流的晶體管可以用MOSFET取代，以便達(dá)到更高的電流。對(duì)于低成本、低電流應(yīng)用，可以去除晶體管，如《模擬對(duì)話(huà)》2009年第43卷第3期" 精密電流源的心臟：差動(dòng)放大器"所述。

這種電流源的精度取決于放大器和電阻。本文介紹如何選擇外部電阻以最大程度減少誤差。

圖1. 改進(jìn)型Howland電流源驅(qū)動(dòng)接地負(fù)載。

通過(guò)對(duì)改進(jìn)型Howland電流源進(jìn)行分析，可以得出傳遞函數(shù)：

(1)

提示1：設(shè)置R₂ + R₅ = R₄

在公式1中，負(fù)載電阻影響輸出電流，但如果我們?cè)O(shè)置R₁ = R₃和R₂ + R₅ = R₄, 則方程簡(jiǎn)化為：

(2)

此處的輸出電流只是R₃、R₄和R₅的函數(shù)。如果有理想放大器，電阻容差將決定輸出電流的精度。

提示2：設(shè)置R_L = n × R₅
為減少器件庫(kù)中的總電阻數(shù)，請(qǐng)?jiān)O(shè)置R₁ = R₂ = R₃ = R₄。現(xiàn)在，公式1簡(jiǎn)化為：

(3)

如果R₅ = R_L，則公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

(4)

此處的輸出電流僅取決于電阻R₅。

某些情況下，輸入信號(hào)可能需要衰減。例如，在處理10 V輸入信號(hào)且R₅ = 100 Ω的情況下，輸出電流為100 mA。要獲得20 mA的輸出電流，請(qǐng)?jiān)O(shè)置R₁ = R₃ = 5R₂ = 5R₄?，F(xiàn)在，公式1簡(jiǎn)化為：

如果R_L = 5R₅ = 500 Ω，則：

(5)

提示3：R₁/R₂/R₃/R₄的值較大，可以改進(jìn)電流精度

大多數(shù)情況下，R₁ = R₂ = R₃ = R₄，但R_L ≠ R₅，因此輸出電流如公式3所示。例如，在R₅ = 100 Ω且R_L = 500 Ω的情況下，圖2顯示電阻R₁與電流精度之間的關(guān)系。要達(dá)到0.5%的電流精度，R₁必須至少為40 kΩ。

圖2. R₁與輸出電流精度之間的關(guān)系。

提示4：電阻容差影響電流精度
實(shí)際電阻從來(lái)都不是理想的，每個(gè)電阻都具有指定的容差。圖3顯示了示例電路，其中R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = 100 kΩ，R₅ = 100 Ω，而且R_L = 500 Ω。在輸入電壓設(shè)置為0.1 V的情況下，輸出電流應(yīng)該為1 mA。表1顯示由于不同電阻容差而導(dǎo)致的輸出電流誤差。為達(dá)到0.5%的電流精度，請(qǐng)為R₁/R₂/R₃/R₄選擇0.01%的容差，為R₅選擇0.1%的容差，為R_L選擇5%的容差。0.01%容差的電阻成本昂貴，因此更好的選擇是使用集成差動(dòng)放大器（例如 AD8276，它具有更好的電阻匹配，而且更加經(jīng)濟(jì)高效。

圖3.I_OUT= 1 mA的示例電路。

表1. 最差情況輸出電流誤差(%)與電阻容差(%)

電阻容差/電阻變化

5

1

0.5

0.1

0.05

0.01

0

R₁/R₂/R₃/R₄

110.11

10.98

5.07

1.18

0.69

0.30

0.20

R₅

5.05

1.19

0.70

0.30

0.25

0.21

0.20

R_L

0.21

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

結(jié)論
在設(shè)計(jì)改進(jìn)型Howland電流源時(shí)，需要選擇外部電阻，使得輸出電流不受負(fù)載電阻的影響。電阻容差會(huì)影響精度，必須在精度和成本之間權(quán)衡考慮。放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電流也會(huì)影響精度。請(qǐng)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定放大器是否滿(mǎn)足電路要求?？梢允褂?Multisim 進(jìn)行仿真，了確這些規(guī)格對(duì)精度產(chǎn)生的影響。集成差動(dòng)放大器具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、增益誤差和增益漂移，可以經(jīng)濟(jì)高效地 實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的電流源。

參考文獻(xiàn)
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Moghimi, Reza. Ways to Optimize the Performance of a Difference Amplifier , AN-589.

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作者簡(jiǎn)介

David Guo[david.guo@analog.com]是ADI公司位于北京的中國(guó)應(yīng)用支持部門(mén)的一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。獲得北京理工大學(xué)機(jī)電工程碩士學(xué)位后，他在長(zhǎng)峰集團(tuán)工作過(guò)兩年，擔(dān)任導(dǎo)航終端硬件工程師。他于2007年加入ADI公司。